（环境科学专业论文）硫化镉量子点的合成及其细胞毒性研究.pdf

摘要 于c d sq d s 的刺激作用更为敏感，c d sq d s 对c h l 的半致死浓度( l c 5 0 ) 约 为5 0 1 0 0 p g m l ，而对l 0 2 的l c s o 仅为l o 2 0 舭；s o d 在c h l 、l 0 2 对 照组细胞和染毒组细胞中均有表达，且q d s 会对蛋白表达产生一定的影响；细 胞内m d a 均随染毒计量的增加而上升，而s o d 和g s h 与对照组相比均有所 下降，并呈现出一定的剂量效应关系；细胞内r o s 含量随染毒剂量的增加有 所上升，提示c d sq d s 细胞毒性的作用机制可能是氧化损伤；随着暴露浓度的 增加，c h l 、l 0 2 细胞内和细胞外c d 2 + 浓度均呈逐步上升趋势，相比之下c d 2 + 更易透过l 0 2 细胞的细胞膜而进入细胞内；c d sq d s 染毒1 8 h 后细胞内l d h 含量显著加，表明q d s 对细胞膜具有一定的损伤作用。 由于采用了两种细胞对样品的生物毒性进行检测，因此试验结果有一定的 相关性。从试验结果看，c d sq d s 对l 0 2 细胞的损伤作用较为严重。c d sq d s 的生物毒性可能是细胞内c d 2 + 浓度及氧化损伤共同作用的结果，同时也与脂质 过氧化作用破坏了细胞膜脂质双分子层的完整性，使细胞膜通透性增加有关。 关键词：量子点细胞毒性c d ：+ 氧化损伤l d h a b s t r a c t a b s t r a c t q u a n t u md o t s ( q u a n t u m d o t s ，q d s ) a r en a n o - m a t e r i a l so fq u a s i z e r o d i m e n s i o n ， w i mt h r e e d i m e n s i o ns i z eb e l o w10 0 n m t h e ya r ea t o m so rc l u s t e r sc o m p o s e do ft h e m i n i m a ln u m b e ro fa t o m so rm o l e c u l e s d u et ot h eu n i q u eo p t i c a lp r o p e r t i e s ，q d sa r e b e i n gw i d e l yu s e d i nb i o m e d i c a li m a g i n ga sn o v e lf l u o r e s c e n tm a r k e r s a st h e p r e v a l e n c eo ft h e s em a t e r i a l si ns o c i e t yi si n c r e a s i n g ，t h eq u e s t i o no f t h e i rl o n g - t e r m e f f e c t so nh u m a nh e a l t ha n de n v i r o n m e n ti sb e c o m i n gc r i t i c a l t h e r e f o r e ，o nt h eb a s i s o ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fq u a n t u md o t sa n dh u m a nh e a l t h ，t oa n a l y s i st h e m e c h a n i s m so fb i o l o g i c a ld a m a g eo fq u a n t u md o t sa n da n de f f e c t i v e l yp r e v e n tt h e e m e r g e n c eo fh a r m f u lf a c t o r s ，h a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a l t h o u g hm a n ys t u d i e sh a v er e p o r t e dt h a tm o d i f y i n gq d s u r f a c ew i t hs h e l l so r l i g a n d s c a ne f f e c t i v e l yi n h i b i ti t st o x i c i t yi nv i v oa n di nv i t r o ，t h e s ep r o t e c t i v e c o a t i n g sm a yd e g r a d eu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，t o x i c i t yo f n a k e d q d sa f t e rt h e i r c o a t i n g sa r ed e g r a d e di s s t i l lu n d e ri n v e s t i g a t i o n a sar e s u l to fv a r i o u st y p e so f q u a n t u md o t s ，w es e l e c t e d b a r ec a d m i u ms u l f i d e ( c d s ) q d sa st h em o d e lo f d e c a y e ds u r f a c e - m o d i f i e dq d s ，w h i t h a r er e p r e s e n t a t i v ea n dh a v en o tb e e n a d e q u a t e l ys t u d i e dc u r r e n t l y i n t h i ss t u d y ，w ep r o p o s e da ne m u l s i o nl i q u i d m e m b r a n e ( e l m ) s y s t e m t os y n t h e s i z ec d sq d s ，w h i c ha c t e da sam o d e lo fd e c a y e d s u r f a c e m o d i f i e dq d s x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n dt r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) w e r ec a r r i e do u tt oc h a r a c t e r i z e dq d sp a r t i c l e s s y n t h e s i so fq d sw i t he m ls y s t e mi ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tw i t hl o wt o x i c i t y o fr a wm a t e r i a l sa n dd o e sn o tn e e dh i i 曲p r e s s u r eo rh i g ht e m p e r a t u r e ，m o n o m e rs i z e c a nb ec o n t r o l l e da n dr e l a t i v e l ys t a b l ea tr o o mt e m p e r a t u r e c d sq d sw e r eo fc u b i c s t r u c t u r es y n t h e s i s e db ye l m s y s t e mw i t hu n i f o r mm o n o m e rp a r t i c l es i z ea b o u t 6 _ 8 n m h o w e v e r ，s i n c eq d sc a nb eag r e a ts u r f a c ea r e aa n da r en o ts u r f a c em o d i f i e d ， t h e yo f t e na g g r e g a t e di n t os e c o n d a r yp a r t i c l e s ，w i t han u m b e ro f c o n n e c t e ds u r f a c e a n dal a r g e rs i z e i i i a b s t r a c t c h i n e s eh a m s t e rl u n gf i b r o b l a s t s ( c h l ) a n dh u m a nf e t a ll i v e rc e l l s - 0 2 ) w h i c hw e r ec o m m o n l yu s e di nt h et o x i c o l o g ye x p e r i m e n tw e r es e l e c t e do f 铺c e l l m o d e l s ，a n dw e r ee x p o s e dt oc d sq d sw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s 2 4 ha f t e r e x p o s u r e ，c h a n g e si nc e l lm o r p h o l o g ya n dc e l lv i a b i l i t yw e r eo b s e r v e d ，s o d e x p r e s s i o no fc e l l sw e r ed e t e r m i n e dt h r o u g hi m m u n o h i s t o c h e m i c a ld e t e c t i o n t o s t u d yt h er o l eo fq d sc y t o t o x i cm e c h a n i s m s ，c a d m i u mi o nc o n c e n t r a t i o ni n s i d ea n d o u t s i d ec e l l s ，c e l lo x i d a t i v ed a m a g e ( c e l l sm d a ，s o d ，g s hc o n t e n t ) ，r o sc o n t e n t , i n t r a c e l l u l a ra n de x t r a c e l l u l a rc d 2 + c o n c e n t r a t i o na n dm e m b r a n ed a m a g e ( l d h c o n t e n t ) ，e t c ，w e r ed e t e r m i n e dt od e t e c tt h ed e g r e eo fc e l ld a m a g e r e s u l t so fc y t o t o x i c i t yt e s ts h o w e dt h a ta f t e re x p o s u r et oc d sq d s ，s h r i n k a g e d e f o r m a t i o no fc 甩a n dl - 0 2c e l l so c c u r r e d ，a n da st h ed o s ei n c r e a s e d ，c e l ls u r v i v a l r a t e sg r a d u a l l yd e c r e a s e d c o m p a r e dt oc h l ，l - 0 2c e l l sw e r em o r es e n s i t i v et ot h e s t i m u l a t i o no fc d sq d s 嬲t h ec d sq d sm e d i a nl e t h a lc o n c e n t r a t i o n ( l c s o ) t oc h l w a sa b o u t5 0 - 1 0 0 斗e d m l ，w h i l et h el c s 0t ol 一0 2i sl o 2 0 1 x g m l ；s o de x p r e s s i o n w a so b s e r v e db o t hi nc o n t r o la n di n f e c t e dg r o u p si nc h la n dl - 0 2 ，b u tq d sh a da c e r t a i ni m p a c tt op r o t e i ne x p r e s s i o n ；m d ac o n t e n ti n c r e a s e ds y n c h r o n o u sw i t hq d s c o n c e n t r a t i o n s ，w h i l et h es o da n dg s h c o n t e n td e c l i n e dc o m p a r e dt ot h ec o n t r o l g r o u p sw h i c hs h o w e dac e r t a i nd e g r e eo fd o s e - r e s p o n s er e l a t i o n s h i p ；c e l l u l a rr o s c o n t e n ti n c r e a s e dw i t ht h ee x p o s u r ed o s e ，s u g g e s t i n gt h a tt h em e c h a n i s mo fc d s q d sc y t o t o x i c i t ym a yb et h eo x i d a t i v ed a m a g e ；i n t r a c e l l u l a ra n de x t r a c e l l u l a rc d 2 十 c o n c e n t r a t i o no fc h la n dl - 0 2a n ds h o w e dag r a d u a lu p w a r dt r e n d ，c o m p a r e dw i t h c h l ，c d 2 + w a sm o r ee a s i l yt op a s st h r o u g hl - 0 2c e l lm e m b r 锄e a f t e r18 he x p o s u r e t oq d s ，l d hc o n t e n to fc e l l ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e s ，i n d i c a t i n gt h a tc d sq d sh a sa c e r t a i nr o l ei nt h ei n j u r yo nt h ec e l lm e m b r a n e t h er e s u l t sh a v ec e r t a i nr e l e v a n c ea sw es e l e c t e dt w ot y p e so fc e l l sa s b i o l o g i c a ls a m p l e st od e t e c tq d sc y t o t o f i c i t y r e s u l t s 舶mt h ee x p e r i m e n t ss h o w e d t h a tc d sq d sh a dam o r es e r i o u si n j u r yo nl - 0 2c e l l s b i o l o g i c a lt o x i c i t yo fc d s q d sm a yn o to n l yv i am e c h a n i s m si n v o l v i n gb o t hc d 2 + a n do x i d a t i v ed a m a g e ，b u t a l s ot h er o l eo fl i p i dp e r o x i d a t i o na n dd e s t r u c t i o no ft h eb i l a y e rl i p i dm e m b r a n e i n t e g r i t ys ot h a tt r i g g e r e da ni n c r e a s ei nt h ec e l lm e m b r a n ep e r m e a b i l i t y k e y w o r d s ：q u a n t u md o t s ( q d s ) c y t o t o x i c i t yc d z + o x i d a t i v ed a m a g el d h i v 符号说明 英文缩写 q d s c d s s p a n 8 0 t b p e l m x r d t e m c h l i 广0 2 1 6 4 0 p g s m f b s e d l ：a m t t s d h o d n a c d m s o l c s o p b s 脚 d a b a a s g s h g s h - p x n 匝) a s o d r o s d c f l d h 符号说明 英文全称 q u a n t u m d o t s c a d m i u ms u l f i d e s o r b i t a nm o n o o l e a t e t d b u t y lp h o s p h a t e e m u l s i o nl i q u i dm e m b r a n e x - r a yd i f f r a c t i o n t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e c h i n e s eh a m s t e rl u n gf i b r o b l a s t h u m a ne m b r y oh e p a t o c y t c s r p 皿1 6 4 0m e d i u m p e n i c i l l i n s l r e p t o m y c i n f e t a lb o v i n es 咖m e t h y l e n e d i a l n i n et e t r a a c e t a t e t h i a z o l y lb l u et e t r a z o l i u mb r o m i d e s u c c i n i cd e h y d r o g e n a s e o p t i c a ld e n s i t y n a c e t y l l - c y s t e i n e d i m e t h y ls u l p h o x i d e m e d i a nl e t h a lc o n c e n t r a t i o n p h o s p h a t eb u f f e r e ds a l i n e h o r s 硎i s hd 啪) 【i c l a s e d i a m i n o b e r z i d i n e a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y g l u t a t h i o n e g l u t a t h i o n p e r o x i d a s e m a l o n d i a d e h y d e s u p c r o x i d ed i s m u t a s e r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s d i c h o l o f l u o r e c e i n l a c t a t ed e h y d r o g e n a s e v 中文名称 量子点 硫化镉 山梨糖醇酐单油酸酯 磷酸三丁酯 乳化液膜 x 射线衍射法 透射电子显微镜 中国仓鼠肺成纤维细胞 人胚肝细胞 1 6 4 0 培养基 青霉素 链霉素 胎牛血清 乙二胺四乙酸 噻唑蓝 琥珀酸脱氢酶 光密度 n 乙酰半胱氨酸 二甲基亚砜 半致死浓度 磷酸盐缓冲液 辣根过氧化物酶 二氨基联苯胺 原子吸收光谱法 谷胱甘肽 谷肌甘肽过氧化物酶 丙二醛 超氧化物歧化酶 活性氧 二氯荧光黄 乳酸脱氢酶 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：乖挤；山 弘。年6 月印日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： p 一一。? 一。一一“1 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) ：一一。一。一+ 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：斧瓣5 山 b c 年占月印e l 第一章引言 第一章引言 第一节量子点研究起源及潜在污染概述 1 1 1 量子点的定义和研究起源 纳米材料是结构单元尺寸小于1 0 0 r i m 的物质，介于微观的原子、分子和典型 的宏观物质的过渡区域。纳米材料结构的特殊性使其具有一些的小尺寸效应、 量子效应以及巨大的表面效应，表现出独特的物理化学性能【。随着纳米技术的 发展，纳米二氧化钛、碳纳米管以及量子点等一系列人工纳米材料开始大量出 现，并广泛应用于医药、塑料制品、能源、电力和航空航天领域。预计至u 2 0 1 2 年，纳米经济总产值将达l 万亿美元【2 】。 人工合成的纳米材料中，在生物医学研究领域应用前景最为广阔的是被称 为量子点的半导体纳米晶( s e m i c o n d u c t o rn a n o c r y s t a l s ) 【3 ，4 1 。量子点( q u a n t u m d o t s ，q d s ) 主要是由i i - v i a 或i - _ v a 族元素组成的半导体纳米材料，它是一种 三维团簇，由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米量级。与天然存在 的纳米尺度颗粒不同，人工合成的量子点d cb r o g l i e 波长、相干波长和激子的b o h r 半径可相比拟，电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子和原子特性的 分立能级结构。量子点这种零维体系的物理行为( 如光、电性质) 与原子相似， 因此又被称作“人造原子”。同时由于介电限域效应导致吸收光谱移动，其光 学行为与一些大分子类似( 例如多环芳烃) ，因此量子点具有良好的荧光性和 光化学稳定性【5 ，6 1 。表1 1 中列出了常见的不同种类的量子点阴。 表1 1 不同种类的量子点 族量子点 m g s ，m g s e ，m g t e ，c a s ，c a s e ，c a t e ，s r s ，s r s e ，s r t e ，b a s ，b a s e ，b a t e ， z n s , z n s e ，z n t c ，c d s ，c d s e ，c d t e ，h g s ，h g s e ，h g t e v g a a s ，i n g a a s ，i n p ，i n a s 第一章引言 1 1 2 量子点的性质 量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时， 尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从 而派生出纳米体系不同于常观体系和微观体系的低维物性，展现出许多宏观体 材料所不具备的特殊光学性质【引，使其在分子生物学、细胞生物学、基因组学、 药物筛选、生物大分子相互作用以及动物活体成像等研究中有着极大的应用前 景，同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究产生深 刻的影响【9 1 l 】。 1 1 2 1 表面效应 表面效应( s u r f a c ee 脏c ) 是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量 子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒大的比表面 积，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多使 这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面效 应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子 表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变 化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引 起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面 效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显著下降，通常低于1 ，因而纳 米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强， 呈现出宽频带强吸收谱【1 2 - 1 5 1 。 1 1 2 2 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为 离散能级并使能隙变宽的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据 分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级、能级变宽的现象均称为量子尺寸效 应( q u a n t u ms i z ee f f e c ) 。蓝移现象是量子尺寸效应的典型表现，即当粒子尺 寸减小时，发光带的波长由6 9 0 n m 移向4 8 0 n m 。随着尺寸的较小，蓝移量也相 应的变大，量子点的发光强度也就进一步增加，从而在光学性质方面引起吸收 谱和光致发光谱峰的蓝移等现象 1 6 - 1 8 】。 量子尺寸效应会导致纳米粒子磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特 2 第一章引言 性有着显著不同。同时处于分立的量子化能级中的电子的波动性给纳米粒子带 来一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性、强氧化性和 还原性等 1 9 , 2 0 。 1 1 2 3 量子限域效应 由于量子点与电子的d eb r o g l i e 波长、相干波长及激子b o h r 半径可比拟，电 子局限在纳米空间，电子输运受到限制，导致动能的增加，电子平均自由程很 短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应( q u a n t u mc o n f i n e m e n t e f f e c t ) 【5 j 。对于量子点，当粒径与w 踟i e r 激子b o h r 半径相当或更小时，处于 强限域区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系 数增加，出现激子强吸收，原来连续的能带结构变成准分立能级，并且由于动 能的增加而使得量子的有效带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移， 且尺寸越小，蓝移程度越大。当量子点的粒径大于w a b o e r 激子b o h r 半径岭时， 处于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是由干带间跃迁的一系列线谱组成 1 2 1 2 3 。 1 1 2 4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯串势垒( p o t e n t i a lb a r r i e r ) 的能力称为隧道效应，宏观物 理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观隧道效应( m a c r o s c o p i ct u n n e l i n g e f f e c t ) 。宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一。即当微观粒子的总能量小 于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例 如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应， 它们可以穿越宏观系统的势垒面而发生变化，称为宏观的量子隧道。这一效应 与量子尺寸效应，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也确定了采用磁带 磁盘进行储存的最短时间，即量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础 研究及其使用都有着重要的意义，它和量子尺寸效应确定了未来微电子器件微 型化发展的极限 2 4 - 2 7 。 1 1 3 量子点的应用 早在2 0 世纪7 0 年代末，量子点就引起了科研工作者的广泛关注。但量子 点应用之初，人们把注意力主要集中在了对量子点的光电研究方面。上世纪9 0 3 第一章引言 年代后期，随着量子点制备技术的不断提高，在合成制备i i 半导体纳米晶方 法上获得的巨大成功，对纳米晶的形貌、结构甚至量子产率实现了精确可控， 其在生物、医学研究中展现出极大的应用前景。目前，量子点已在多门学科间 交叉应用【2 8 _ 3 0 1 。 1 1 3 1 量子点在生命科学中的应用 量子点具有荧光发射光谱窄而对称、光化学稳定性好、激发光谱宽且连续 等特点，粒径不同的量子点发射的荧光颜色也不同，可用于多种标记物的同时 检测，具有其它体外和体内标记技术所没有的独特优势，极大地促进了荧光标 记在生物医学中的应用 3 1 】。根据特定的检测对象，量子点技术可选择合适的生 物分子进行修饰，如可修饰抗体检测抗原，或修饰配体定位受体，或修饰d n a 探针检测目标d n a 等，在生物医学的超痕量分析中发挥着重要的作用。因此 量子点在生物化学、细胞生物学、分子生物学等领域都显示出及其广阔的应用 前景 3 2 - 3 4 】。 q d s 有可能成为筛选药物的有利工具。将不同颜色的量子点与药物的不同靶 分子结合，可一次性检测药物的作用靶分子。q d s 还可应用与医学成像。由于可 见光最多只能穿透毫米级厚度的组织，而红外光则可穿透厘米级厚度的组织， 因此可将某些在红外区发光的量子点标记到组织或细胞内的特异组分上，并用 红外光激发，就可以通过成像检测的方法来研究组织内部的情况，达到诊断的 目的。 量子点作为理想的荧光标记探针，日益引起人们的广泛关注，其应用范围 也越来越广泛，因此对量子点生物安全性的研究也逐渐引起了人们的注意。 1 1 3 2 量子点在半导体器件中的应用 量子点中低的态密度和能级的尖锐化，导致了量子点结构对其中的载流子 产生三维量子限制效应，从而使其电学性能和光学性能发生变化，而且量子点 在正入射情况下能发生明显的带内跃迁。这些性质使得半导体量子点在单电子 器件、存贮器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景1 3 5 】。 基于库仑阻塞效应和量子尺寸效应制成的半导体单电子器件由于具有小尺 寸，低消耗而日益受到人们的关注。半导体低维结构材料是一种人工改性的新 型半导体低维材料，它的量子尺寸效应、量子隧穿和库仑阻塞以及非线性光学 4 第一章引言 效应等是新一代固态量子器件的基础，在未来的纳米电子学、光电子学和新一 代超大规模集成电路等方面有着极其重要的应用前景。采用应变自组装方法直 接生长量子点材料，可将量子点的横向尺寸缩小到几十纳米之内，接近纵向尺 寸，并可获得无损伤、无位借的量子点，现已成为量子点材料制备的重要手段 之一，但其不足之处是量子点的均匀性不易控制。以量子点结构为有源区的量 子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度 和更宽的调制带宽等优点，将使半导体激光器的性能有一个大的飞跃，对未来 半导体激光器市场的发展方向影响巨大。近年来，欧洲、美国、日本等国家都 开展了应变自组装量子点材料和量子点激光器的研究，取得了很大进展【3 6 ，3 7 】。 1 1 4 量子点的潜在污染 随着纳米技术的发展，量子点材料也越来越普及。北美已成立了开发半导 体纳米晶体生物标记荧光探针公司，并于2 0 0 1 年秋季推出商标为q d o t t m 的产 品。但量子点商品化的同时，其暴露量也会增加。目前国内外对量子点的研究 大部分是针对其物理化学性质，如荧光性、检测性和细胞标记效率，而不是量 子点本身的毒性【3 引。人们对于量子点材料的认识还不是很充分，对于量子点暴 露是否会对人体健康产生潜在的不利影响还存在疑问。因此，在量予点应用日 益广泛的同时，与此密切相关的药物暴露毒性问题，以及量子点对人类环境可 能产生的污染问题都引起了科研工作者的高度重视。经过几年的研究，人们对 于量子点潜在有害影响已有了一定的认识，但对量子点的稳定性、烟雾化、半 衰期及其进入环境介质的途径了解得还很少。量子点主要有以下几个暴露途径， 即合成量子点的工业源排出的废弃物，临床治疗和生物监测等。此外量子点材 料生产、加工及运输过程中的渗漏都成为潜在的暴露途径【3 9 1 。 由于应用日益广泛，量子点在环境中的浓度直线上升，并且在空气、水、 土壤等环境要素中有着不同的分配方式。由于不同量子点物理化学性质的多样 性，要弄清其在环境介质中的分配规律是很困难的。量子点的生产和应用过程 中可能由于吸入、皮肤接触和摄食而进入人体。有关吸入暴露，已对其他纳米 尺度颗粒( 如石棉、超细颗粒等) 进行了广泛的毒理学研究，能够为量子点的 吸入研究提供一定依据 4 0 , 4 1 j 。但对于量子点在何种条件下会分散到周围空气中， 并且是否会形成团聚体，目前还不十分明确。 5 第一章引言 有关量子点进行活体成像时长期暴露下的稳定性和相容性的报道众说纷 纭，这主要是由于以下几个因素。第一，量子点可由不同的材料通过不同的方 法合成，因此最终产物差异很大；第二，要将量子点分散到水溶液中需加入表 面基团或活性剂，所用的方法也多种多样；此外，生物体的复杂性也使量子点 的毒性研究呈现多样化1 4 2 1 。目前人们对于量子点技术的认识还不是很充分，量 子点暴露对人体健康产生的潜在不利影响还不明确。因此，在量子点应用日益 广泛的同时，与此密切相关的暴露毒性问题，以及量子点对人类环境可能产生 的污染问题都引起了科研工作者的高度重视。但由于量子点的种类繁多，物理 化学性质各异，其毒性作用也受到自身特性和环境因素等方面的影响。 1 1 5 量子点进入环境的途径 环境介质是量子点暴露的一个重要途径，近年来随着量子点的应用日益广 泛，其在环境中的浓度也直线上升。人工合成的量子点可通过多种途径进入环 境p 8 j ： ( 1 ) 合成量子点的工业源排出的废弃物；( 2 ) 量子点材料的处理和生 产及运输过程中的渗漏； ( 3 ) 量子点作为药物或基因载体用于临床治疗； ( 4 ) 单电子器件、储存器以及各种光电器件等多种产品中的半导体量子点可通过使 用或废物处理过程释放到环境中。 量子点在环境介质中迁移，光照和氧化条件下易发生降解，成为环境的组 成部分，其降解速率取决于量子点的理化性质和环境介质。随着量子点粒径减 小，表面原子数迅速增加，比表面积增大，其表面缺少临近的配位原子，易与 其他原子结合而稳定，具有很高的活性【4 3 1 。因此量子点暴露于空气中具有较强 的吸附作用，易吸附气体或其他粒子，并与之发生反应。此外由于量子点具有 较高的表面能和粒子间小的库仑力或范德华力，暴露时极易发生团聚。量子点 在环境中的分配、降解和转化均影响着其自身的性质和其对人体健康危害的程 度。 1 1 。6 量子点进入生物体的途径 由于量子点的应用日益广泛，周围环境、工作场所以及药物治疗和生物监 测等都成为量子点潜在的暴露途径。量子点的生产和应用过程中也可能由于吸 入、皮肤接触或食用而暴露。 6 第一章引言 1 1 6 1 通过呼吸道进入生物体 工作场所中量子点暴露最可能的途径是通过呼吸道。有关吸入暴露，已对 其他纳米尺度颗粒( 如石棉、超细颗粒等) 进行了广泛的毒理学研究，能够为 量子点的吸入研究提供一定依据。例如，粒径小于2 5 n m 的粒子可能沉积在肺部 深处，并与肺泡上皮细胞相互作用，较大的粒子可能沉积在支气管间酣3 9 , 4 0 】。 量子点的尺寸从2 5 n m 至0 1 0 0 n m 不等，其在肺组织的沉积位点也会有差异。由于 量子点能够通过吞饮作用而与多种细胞结合，其一旦在呼吸道沉积下来，就可 能通过不同途径和机制转移至其他靶器官，因此吸入暴露的潜在的毒性不容忽 视。 1 1 6 2 通过消化道和皮肤进入生物体 吸入的量子点经呼吸道清除后可进入消化道【3 9 】。粒子在消化道中通过扩散 而到达肠粘膜，并与肠上皮细胞相互作用，进而被吸收。 皮肤暴露也是吸收量子点的一种重要途径。皮肤对量子点的吸收主要是通 过工作场所的接触以及一些药物治疗。由于量子点具有超微性，有可能透过皮 肤进入体内，因此研究皮肤接触量子点产生的毒性是十分重要的。k i m 等【4 q 给小 鼠皮内注射量子点材料，发现粒子一旦进入真皮即可聚集在淋巴结附近，并且 很容易被吸收。r y m a n 等【4 5 】检测了猪皮肤对不同粒径、形貌和表面涂层的量子 点的渗透性，发现2 4 小时内量子点均可透过完整的皮肤，有些能够到达角质层， 并在真皮中聚集。c h u 掣删研究了小鼠皮肤对c d t e 量子点的渗透性，发现量子 点能够迅速透过皮肤，并聚集在皮下肌肉细胞中。这表明，皮肤对量子点具有 很强的渗透性，可能成为量子点进入体内的一个重要入口。 1 1 6 3 通过医疗诊断和监测进入生物体 由于量子点可作为荧光标记物进行生物分析和生物标记，在医疗诊断过程 中也不可避免地进入人体，并进行物质和能量转移。生物分析和标记过程中， 将待检测物质粘合在量子点表面，通过量子点荧光淬灭来进行物质分析，供体 量子点经荧光能量转移，将适当的有机荧光基团作为受体结合在其表面【4 7 1 。特 定的细胞受体能够被适当配体分子修饰过的量子点标记，如果细胞群中的一个 细胞被量子点标记，该细胞能够通过细胞分裂将量子点传递到其所有的子细胞 中。此外，量子点标记的d n a 可作为原位杂交的标记物，量子点也能够与特异 7 第一章引言 性抗体、配体、小分子和类似物质相结合，与某些癌细胞表面相互作用，从而 可用于肿瘤成像【5 0 】。但与此同时，量子点也会到达某些健康的组织和细胞，考 虑到其尺寸和其自身的化学性质，量子点进入人体后的潜在影响不可忽视。 体内医疗暴露量子点的潜在毒性主要取决于一系列可变因素：量子点毒理 学和药物动力学、毒理学和药效学以及量子点的体内稳定性。一旦表征了量子 点的动力学，即可通过质量控制机制减少作为体内荧光标记物的量子点暴露【4 l 4 7 1 。 第二节量子点生物毒性的研究 1 2 1 量子点在生物体内的转移、积累和清除 由于量子点种类多样，物理化学性质有很大不同，因此在生物体内的吸收、 转移、积累和清除的方式也有很大不同。由于量子点粒径极小，甚至接近于机 体内的某些生物大分子，因此血液和其他生物大分子会对量子点的体内监测产 生干扰【4 引。有研究表明，量子点能够在体内系统分布，并聚集在某些组织和器 官。 1 2 1 1 转移到循环系统和中枢神经系统 之前对其他纳米材料的毒理学研究表明，纳米颗粒能够冲破呼吸系统中常 规吞噬细胞的防护作用，并通过不同机理进入循环系统甚至中枢神经系统。一 种是纳米颗粒穿过呼吸道上皮细胞，直接进入血液循环系统，另一种是通过淋 巴系统分布到身体各个部分【4 9 巧引。 通过i c p a e s 检测镉浓度，并结合量子点初始浓度，可推导出量子点的半衰 期。b y r o n 等 5 3 】首次研究了量子点的药物动力学，他们采用不同分子量涂层的量 子点进行小鼠体内成像，发现注射l h 后，a m p 、m p e g 7 5 0 和c o o h p e g 3 4 0 0 包覆的量子点在小鼠体内通过循环作用而清除，而m p e g 5 0 0 0 量子点在循环系 统中的半衰期超过3h ，部分量子点能够在小鼠体内存留4 个月以上。f i s c h e r 等【5 4 】 发现，与赖氨酸和牛血清结合的量子点具有不同的体内分配方式，能够被不同 的组织吸收，其清除方式也不同。g a o 等【3 2 】用c d s e z n s 半导体量子点观察肿瘤影 像时，将量子点注射到老鼠体内，发现其能够透过血液循环选择性地累积在摄 8 第一章引言 护腺肿瘤部位。k i m 掣4 4 】将i i 型近红外线( n i r ) 荧光量子点注入猪的原发性肿 瘤，成像清晰地显示，量子点通过淋巴管运送到了附近的淋巴结上。 近期研究中，s o o 5 5 等通过给大鼠静脉注射量子点，发现粒子经肾脏过滤后 由尿液排出。其中，动力学直径小于5 5 n m 的量子点能够快速有效的通过排尿从 体内清除。r o b e 等1 5 6 】给健康小鼠皮下注射c d s e z n s 量子点，发现注射后5 r a i n 2 4 h 内均可在腋淋巴结中检测到，量子点最大量出现在注射后6 0 m i n ，为注射剂量的 2 4 2 ，但血浆、尿液、粪便中未检测到量子点。用于荧光成像的量子点若不能 通过生物